電力電纜局部放電特征分析及運維檢修策略研究

劉 陽 郭崇喜

（宿遷三新供電服務有限公司泗洪分公司，江蘇 宿遷 223900）

1 局部放電原理

局部放電在我國的放電測量標準定義為：“導體間絕緣僅被部分橋接的電氣放電”，同時對局部放電出現的區域進行了描述“可以發生在導體附近，也可以不發生在導體附近”。

電纜絕緣中產生的局部放電原理可以用三個電容的串并連模型來解釋，以絕緣內部氣隙放電等效電路為例。

其中Cg是氣隙放電等值電容，Ca是與氣隙放電串聯的正常絕緣等值電容，C 是正常絕緣等值電容，總體等值電容的公式為：

當在電極兩端施加電壓Um時，氣隙所承受的電壓為：

由于電纜絕緣層氣隙都比較小，其等值電容Cg比Ca大得多，可知，Ug比Ua小得多。電纜在出廠使用后，各部分的等值電容數值變化不會發生改變，根據Ug的公式可知，氣隙所承受的電壓值正比于外加極間電壓值，當外施電壓很小時，氣隙承受電壓非常小，導致局部放電熄滅，外施電壓不斷升高到所承受的最大電壓值后，局部放電開始發生。在電纜正常工作時所加的電壓都為工頻交流電壓，隨著所加電壓的慢慢升高，氣隙所承受電壓也在加大，局部放電開始發生，由于施加的是交流電，在電壓最大后，電壓又開始下降，局部放電再次熄滅，放電具有一定的周期性。這種周期性的局部放電脈沖可以用來判斷局部放電是否產生及放電的多少[1]。

2 局部放電類型

引起局部放電現象的產生有很多因素，電力電纜缺陷的部位和其作用機理不同，可以將局部放電分為不同的類型。根據相關人員的大量研究分析，將局部放電分為 4 種常見類型，為別是內部氣隙局部放電、尖刺局部放電、沿面局部放電和懸浮局部放電。明晰每種放電類型產生的原因和作用機理對于電力電纜的日常維護和提前事故預警有重大意義，下面對這幾種放電類型進行介紹。

2.1 內部氣隙局部放電

內部氣隙局部放電也可以叫做氣泡放電或者氣隙放電，經常出現在電力電纜絕緣層介質里面或者介質層與纜芯交界面的氣泡之中，這些微小氣泡所承受的電場強度高于電纜絕緣層介質的電場強度，并且微小氣泡外加的電場強度比最小擊穿場強高的時候，就會出現局部放電，這種放電被叫做內部氣隙局部放電。該局部放電與所承受的外加電場強度息息相關，絕大多數出現在絕緣層內部電場強度低的部位，同時也受絕緣材料耐壓性能以及場強分布的影響[2]。

2.2 尖刺局部放電

尖刺局部放電是由于電力電纜內部出現細小毛刺或者尖端突出等因素引起的，隨著外部場強的增加，尖端附近的電場積聚在一起，這種極不均勻電場導致尖刺局部放電的發生，隨著時間的增加，電力電纜的絕緣會被擊穿。在開始階段，尖刺局部放電在尖刺的尖端部位發生，絕緣層以及導體交界面之間的縫隙沒有被擊穿，所以這類局部放電易于在這種曲率半徑小的尖刺或者曲率大的尖刺頂部積聚電荷。在電力電纜長時間運行時，電荷積聚增多，場強變強，因此在這些尖刺部位更加容易出現尖刺局部放電，一般在負半周期，然而在電場強度足夠大的情況下，才會在正半周期產生放電信號，并且這種放電不止產生電信號，還會伴有聲、光、熱等物理現象或者化學現象一同發生[3]。

2.3 沿面局部放電

沿面局部放電經常發生在橡膠和環氧樹脂分界面之間，當二者之間接觸有縫隙的時候，該分界面承受的電場強度高于其最小擊穿電場時，沿著絕緣介質表面發生局部放電，這種放電常常發生在隔離開關、套管、電纜等電氣設備的外表面。正常情況下，沿面放電的起始放電電壓比內部氣隙放電電壓低很多，并且絕緣體表層的光滑程度、周圍環境的污穢多少和氣候條件對其起始放電電壓有重要影響。

2.4 懸浮局部放電

懸浮局部放電是因為電力電纜導體或者附件內部存在自由懸浮金屬顆粒，由于結構上的原因，隨著外界電場的增強導致懸浮金屬顆粒失去接地，對地產生高電位，從而引起局部放電現象。這種放電一般出現在調壓繞組、起固定作用的金屬螺栓以及高壓套管接觸不緊密之中[4]。

3 局部放電在線檢測方法分類

局部放電在線檢測方法根據其檢測原理可以分為差分法、電容耦合法、方向耦合法、超聲波法、超高頻法與電磁耦合法等檢測方法。

3.1 差分法

差分法最早是由日本東京電力公司和日立電纜公司共同研究提出的，這種方法適用于 110kV 及以上的電纜中。差分法需要將兩個金屬箔片分別安裝在電纜兩側的金屬屏蔽層上，在兩個金屬箔片中間串聯一個合適阻值的檢測阻抗，該阻抗與絕緣層的等效電容、金屬箔與絕緣金屬屏蔽層的等效電容構成了一個完整的回路，如果電纜內部出現局部放電脈沖信號，就會被耦合到。但是該方法兩側的等效電容很難相等，受干擾容易誤判，檢測頻帶窄，使用的局限性較大。

3.2 電容耦合法

電容偶合法是由英國南安普敦大學與西安交通大學共同研究出的一種在線檢測方法。該方法需要將電纜上部分的外護套去掉，漏出外半導電層，將金屬箔片貼在該外半導電層上，金屬箔片就相當于檢測電極。在工頻運行下，外半導電層的阻抗非常小；在高頻運行下，外半導電層阻抗可與絕緣處阻抗相比，所以可認為外半導電層在工頻運行時等于地電位，在高頻運行時金屬屏蔽層為地電位。這種方法接入電容傳感器不會對電纜絕緣有影響，也有利于獲取高頻放電脈沖信號，靈敏度高，但容易受到周圍環境電磁干擾的影響，不能準確地將局部放電信號提取出來。同時這種方法需要將電纜絕緣破壞，對工作人員的技術要求嚴格，之后還需要將電纜恢復原樣，保證絕緣、防水等性能不發生改變。這套檢測系統應用比其他幾種檢測方法更加困難、代價較大，還需要剝去電力電纜的部分金屬護套，限制了超高頻電容耦合法的廣泛使用。

3.3 超高頻檢測法

超高頻檢測方法起源于20 世紀80 年代，是檢測電氣設備局部放電時產生電磁波的一種新興的在線檢測技術。由于使用的傳感器頻帶非常寬，從幾百 MHz到幾十GHz，該頻帶范圍屬于超高頻范圍，所以被命名被超高頻檢測方法。該方法起初用于GIS 設備局部放電的檢測，靈敏度高。在檢測局部放電的同時，可以結合不同的算法實現故障定位、放電缺陷類型識別等，因此超高頻也被應用在發電機與變壓器的局部放電檢測中，取得了良好的效果。超高頻檢測方法可以分為超高頻窄帶在線檢測及超高頻超寬帶在線檢測，后一種檢測方法的帶寬最大可到數GHz 以上。在電力系統正常運行時，周圍環境產生的噪聲一般都在低頻段內，超高頻超寬帶檢測噪聲抑制比高、含多種信息、可以避開常規試驗時難以剔除的電氣干擾等優點，越來越受到人們的青睞。超高頻超寬帶檢測就是我們使用較多的超高頻檢測，其中常用的是阿基米德螺旋天線進行局部放電測量。

3.4 超聲波檢測方法

超聲波檢測局部放電的方法出現很早，在很多領域都被廣泛地使用。在電力電纜產生局部放電脈沖信號時，不只是產生電信號，同時也產生光信號及聲音信號等。接收到聲信號的超聲波傳感器，將其轉化成電信號，因為電信號更容易被解析，其本質是把聲音的能量轉化成為電能量。因此超聲波檢測方法可以檢測電力電纜是否有局部放電的現象產生，超聲波傳感器價格較其他傳感器便宜，使用技術相對成熟。

超聲波傳感器檢測局部放電可以提高效率，還能在一定程度上節省人力物力。該方法最開始用在GIS、電機及變壓器中檢測局部放電，取得了不錯的成果，因此可以用在電纜的局部放電在線檢測中。在電纜產生局部放電時，會伴隨聲、光、熱、電等物理現象的產生，也會有化學變化的產生，其中的超聲波信號將會從電纜內部逐漸向外釋放，最終使用超聲波傳感器接收。通過分析采集的超聲信號，可以推測出電纜內部絕緣放電的狀況，預防電力系統事故的發生。超聲信號的頻率分布廣泛，但是在實際環境中超聲波信號的傳播會逐漸衰弱，超聲波傳感器接收到的信號會比較微弱。這種方法容易受到周圍環境的電磁干擾影響，局部放電脈沖信號無法被精準地提取，因此需要高靈敏度的超聲波傳感器。

3.5 方向耦合方法

方向耦合方法在線檢測技術是基于方向耦合器的一種檢測方法，由德國柏林大學、德國西門子公司以及美國惠普公司在1999 年聯合提出的。該方法將金屬的方向傳感器裝配在電纜的外半導體層與金屬屏蔽層之間，在兩個端口接引出線。方向耦合的檢測原理是：當局部放電脈沖經過方向傳感器時，傳感器兩端的電容耦合極性一致，電感耦合方向極性不一致。當兩端的耦合信號疊加在一塊時，一端信號強而另一端信號較弱，通過比較兩端信號的大小就可以判斷出電纜絕緣層中是否產生局部放電。

3.6 電磁耦合法

電磁耦合法最初使用在電機與變壓器局部放電在線檢測中，之后開始逐步被應用在不同電氣設備局部放電脈沖信號的檢測。近些年來，國內外的電纜投入量越來越多，電纜絕緣受到破壞的情況也隨之增多，引起很多的電力事故，因此該方法開始引入電纜絕緣局部放電的檢測中。基于電磁耦合原理傳感器樣式多種多樣，尤以羅格夫斯基（Rogowski）線圈制作的高頻寬帶傳感器使用最為廣泛。

基于羅格夫斯基線圈的傳感器，使用不同的磁芯，其頻帶范圍一般也不同，性能上也會有所差異。高頻電流傳感器被應用在電力電纜局部放電檢測中，頻帶范圍一般從300KHz 到30MHz。高頻電流傳感器一般安裝在電力電纜接地電纜處、電纜本體以及電纜金屬屏蔽層處，該方法操作簡單，不需要直接接觸電纜內部，也不需要對電纜做相應的處理，對工作人員技術要求不高，所以可以直接用在電纜運行時絕緣的局部放電在線檢測中，起到預防性，防止電力系統發生事故。除此之外，由于測量部分和電纜沒有直接電氣聯系，并且測量范圍較寬，能夠較好地抑制周圍電氣信號以及噪聲信號等低頻信號的干擾，可以精確地耦合到局部放電脈沖信號，靈敏度好。綜上所述，使用電磁耦合法測量局部放電信號具備操作方便、保護人身安全、靈敏度高和抗干擾能力優異的特點，是應用范圍相對廣泛的一種電力電纜局部放電在線檢測方法。

由于電磁耦合法滿足在線檢測的要求，不會對電纜結構造成損壞，工程中易于實施，高頻電流傳感器套在接地電纜上，在檢測過程過人員與運行中的電纜無實際接觸，可以保證工作人員的人身安全，所以選用該方法進行電力電纜局部放電在線檢測。

4 電力電纜運維與檢修策略

1.定期對直流電纜的中間接頭進行局部放電檢測，通過對電纜接頭進行連續、實時的檢測，根據局部放電的連續變化趨勢，以設備當前的實際工作狀況為依據，對設備進行縱向（歷史和現狀）、橫向（同類設備的運行狀況）的比較分析，以識別故障的早期征兆，對故障部位嚴重程度及發展趨勢做出判斷，進行電纜運行狀態評估和預測。

2.有缺陷的電纜線路在升壓過程中易誘發局部放電信號，待電壓平穩后，局部放電信號趨少，但在臨近擊穿時局部放電頻次增多。為此，建議在交接試驗升壓過程中進行局部放電檢測，一旦在升壓過程中發現局部放電信號就將此電纜列為重點監測對象，實行進一步的重點監測，或直接更換[5]。

3.直流電纜發生局部放電的過程存在放電起始期、空隙期、發展期，因此在高壓電纜運行時對電纜接頭進行局部放電檢測，一旦捕捉到該高壓電纜存在零星局部放電信號，就應將該電纜列為重點監測對象，進行進一步的檢測與確認。

5 結語

電纜絕緣局部放電是十分漫長的過程，不同階段的放電特點也可能不同，并且同一缺陷在電纜的不同位置放電特點也可能稍有不同。針對放電特性對絕緣老化進行維護檢修，可提升電纜使用壽命。